專利名稱：樹脂基復合材料復雜構件的液體模塑熔芯成型工藝的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種復合材料復雜構件的成型工藝，具體涉及一種樹脂基復合材料復 雜構件的液體模塑熔芯成型工藝。
背景技術：
復合材料復雜構件是指那些產(chǎn)品外形結構和形狀復雜、并帶有難以脫模的復雜型 芯的復合材料制品，其廣泛應用于航空航天、醫(yī)療、交通運輸、體育用品等領域，如發(fā)動機中 的進氣腔、油底殼、進氣歧管等等。這些復合材料構件通常采用手糊工藝或者注射成型工藝 制備。手糊工藝具有生產(chǎn)效率低、工作強度大、工作環(huán)境差、產(chǎn)品質量和精度不易控制、產(chǎn)品 性能穩(wěn)定性差和產(chǎn)品力學性能較低等缺點。注射成型則主要用于熱塑性樹脂基復合材料及 塑料件的成型，具有成型設備和模具成本高、成型設備適用范圍小、只有在大批量生產(chǎn)時才 能獲得較好效益的缺點。液體模塑成型工藝(Liquid Composite Molding, LCM)是國際高性能復合材料制 造技術研究發(fā)展的“生長點”，是指以樹脂傳遞模塑成型(Resin transfer molding, RTM)、 真空輔助樹脂傳遞模塑成型(Vacuum Assisted Resin Transfer Molding，VARTM)、樹脂膜 滲透成型(Resin film infusion,RFI)以及反應注射成型(Reaction Injection Molding, RIM)等為代表的一類復合材料液體成型技術。與其它復合材料成型技術相比，液體模塑成 型工藝具有以下無法比擬的優(yōu)點可一次性快速成形大型、幾何形狀復雜的構件；具有無 需膠衣涂層即可為構件提供光滑表面的能力，后處理工作量??；預成型體尺寸易控，設計靈 活，產(chǎn)品成型后僅需做小的修邊即可達到高精度要求；模具制造與材料選擇的機動性強，不 需要龐大、復雜的成型設備就可以制造復雜的大型構件，設備、模具和原材料等的投資少； 生產(chǎn)周期適中，可實現(xiàn)半自動或自動化生產(chǎn)，效率高；纖維含量高，物理力學性能優(yōu)異；便 于使用計算機輔助設計(CAD)進行模具和產(chǎn)品設計；易于實現(xiàn)局部增強，并可方便地制造 含有加強筋的構件和局部加厚構件；成型過程中散發(fā)的揮發(fā)性物質很少，有利于身體健康 和環(huán)境保護。因而，在復合材料構件的生產(chǎn)中，采用液體模塑成型工藝逐步取代手糊工藝和 注射成型已經(jīng)成為一種趨勢。但是現(xiàn)有的液體模塑成型技術在制備樹脂基復合材料復雜結構件方面也存在著 如下缺點(1)由于這類制件都有復雜的型芯，制備時很難成型出質量均勻、穩(wěn)定性高的復 合材料復雜構件；(2)型芯制造時工藝復雜，費時費力，成本高；(3)脫模難，脫模后的產(chǎn)品 后處理工藝繁瑣，成本高，效率低。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是為了解決現(xiàn)有的復合材料復雜構件的制備工藝存在的穩(wěn)定性差，工藝復 雜和脫模難，以及經(jīng)濟效益差的問題，而提供了一種樹脂基復合材料復雜構件的液體模塑 熔芯成型工藝。本發(fā)明是通過以下技術方案實現(xiàn)的
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(1)、型芯三維建模根據(jù)型芯的圖紙，利用三維建模軟件建立型芯的三維模型，將 三維模型存儲為*. stl格式，并利用切片軟件切片，生成型芯的分層位圖文件；(2)、型芯的激光快速燒結成形將型芯的分層位圖文件，導入激光快速成形機，用 激光分層掃描熱塑性粉體材料，使粉體材料熔化而互相粘結，快速燒結制備得型芯模型；(3)、低熔點合金型芯制備根據(jù)型芯模型使用型砂翻制砂模，同時將低熔點合金 熔化，利用壓力鑄造設備將熔化的低熔點合金澆注入砂模，冷卻凝固后制得低熔點合金型
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心；(4)、模具準備以低熔點合金型芯為內(nèi)模，采用金屬或玻璃鋼材料制作外模；(5)、增強材料的鋪設與定型在內(nèi)模表面包覆纖維增強材料層，同時噴撒粘接劑 定型，然后將其裝配入外模中，并在內(nèi)模和外模之間的間隙鋪設纖維增強材料層，同時噴撒 粘結劑定型，進行定型處理；(6)、合模將外模在定位機構的導引下合模；(7)、樹脂膠液的配制配制適合液體模塑成型工藝的樹脂膠液；(8)、樹脂膠液的注入將樹脂基膠液注射入經(jīng)合模的模具中，浸潤纖維增強材 料；(9)、加熱固化停止注射后，加熱固化；(10)、脫模打開外模，取出帶低熔點合金內(nèi)模的制件；(11)、型芯熔化將帶低熔點合金內(nèi)模的制件置于高溫烘箱中，加熱使得低熔點合 金全部熔化，得到樹脂基復合材料構件；(12)、復合材料構件修整對得到的復合材料構件進行修整，檢測，即得到復合材 料復雜構件。步驟(1)所述的三維建模軟件為UG、ProE或Solid works。步驟(2)所述的熱塑性粉體材料為熔點在60°C至320°C的熱塑性粉體材料，包括 聚苯乙烯粉、尼龍粉或石蠟粉。步驟(2)所述制得的型芯模型，先在表面浸涂樹脂膠液，待樹脂膠液固化后，進行 表面修整。步驟⑵所述的熱塑性粉體材料的熔點高于步驟(7)所配制的樹脂膠液的固化溫 度時，可以省略步驟(3)，直接以步驟(2)制備得型芯模型作為內(nèi)模，代替低熔點合金所制 得的內(nèi)模，按照其他步驟順次進行。步驟(3)所述的低熔點合金的熔點低于300°C，并且高于步驟(7)所配制的樹脂膠 液的固化溫度，其中低熔點合金的熔點最好高于步驟(7)所配制的樹脂膠液固化溫度1 30 "C。步驟(5)所述的粘結劑為與樹脂基體具有良好相容性的粘接劑。步驟(11)所述的加熱溫度為低熔點合金的熔點溫度以上1 15°C。本發(fā)明利用激光快速成形機的分層掃描功能制備復雜型芯模型；利用低熔點合金 材料的低熔點特性，在成型完成后去除低熔點合金型芯；利用液體模塑成型工藝中樹脂體 系的充模流動特性，實現(xiàn)樹脂基復合材料復雜構件的成型。與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點
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(1)、本發(fā)明的工藝適用于各種復雜結構零部件的制備；(2)、可利用計算機和快速成形機直接加工各種復雜結構的型芯，加工精度高，周 期短；(3)、根據(jù)復合材料制件的樹脂體系固化的特點，以及固化物在高于其固化溫度(T 固化)1 30°C范圍內(nèi)可以長期保持性能穩(wěn)定的特點，選擇熔點在ΤΘΛ+1 30°C范圍內(nèi)的低 熔點合金材料，具有熔點低，可熔性好的優(yōu)點，脫模和使用方便的優(yōu)點；(4)、成型產(chǎn)品具有質量輕、強度高、精度好、剛性大、外形美觀等優(yōu)點；(5)、使用該工藝對復合材料進行成型加工，效率高，成本低，同時大大節(jié)省了設備 的投入。


圖1為本發(fā)明樹脂基復合材料復雜構件的液體模塑熔芯成型工藝流程框圖。
具體實施例方式實施例1發(fā)動機進氣腔的樹脂基復合材料的液體模塑熔芯成型工藝1、型芯三維建模利用三維建模軟件Solid works建立發(fā)動機進氣腔的三維模 型，并建立大型芯、彎管型芯的三維模型，生成daxingxin. stl.wanguan. stl文件。利用STL 三維模型的分層切片軟件，設置其切片厚度，精確到0. 01mm，設置分辨率以及切片方向，對 大型芯、彎管型芯的三維造型進行切片處理，形成大型芯、彎管型芯的二維層片信息(橫截 面的平面輪廓和內(nèi)部掃描路徑)，將切片后產(chǎn)生的位圖文件保存，輸出至移動存儲介質。2、型芯的激光快速燒結成形將移動存儲介質中的大型芯、彎管型芯切片后產(chǎn)生 的位圖文件導入激光快速成形機，在快速成形機中，計算機根據(jù)這些信息，通過控制系統(tǒng)驅 動成形激光束按照所要求的路徑運動，分層掃描聚苯乙烯粉，形成各個截面的二維固體層 片，一層制作完畢，再進行下一層的掃描，層層迭加，直至各層片按順序迭加成三維零件。并 在大型芯、彎管型芯模型表面浸涂樹脂膠液，待樹脂膠液固化完全后，進行表面修整。3、低熔點合金型芯制備選擇熔點在190°C左右低熔點合金材料。同時選用高質 量的精細型砂，利用激光快速成形機制備的大型芯、彎管型芯模型翻制大型芯、彎管型芯砂 型鑄造模具，同時將低熔點合金材料在190°C下熔化，利用壓力鑄造設備在3bar的壓力下 將熔化的低熔點合金澆注入大型芯、彎管型芯的砂模，冷卻凝固后得到大型芯、彎管型芯的 低熔點合金型芯，并對低熔點合金型芯進行表面處理，使其達到一定的尺寸精度和光潔度。4、模具準備采用鋁合金或均質鋼材加工進氣腔構件的金屬外模，并以制備的低 熔點合金型芯作為內(nèi)模，對成型模具進行試裝配檢驗。5、增強材料的鋪設與定型在大型芯和彎管的低熔點合金型芯表面包覆2mm的玻 璃纖維增強材料，噴撒少量環(huán)氧粘接劑將各層粘接定型，將其裝配入金屬外模中，在大型芯 和彎管型芯的纖維外側按一定的鋪層順序鋪設6mm的玻璃纖維增強材料，同時噴撒少量環(huán) 氧粘接劑定型，在120°C下固化4小時。6、合模金屬外模在定位機構的引導下合模，檢查模具是否漏氣，如漏氣需更換橡 膠墊圈重新合模。
7、樹脂膠液的配制加熱AG-80環(huán)氧樹脂(4，4_ 二氨基二苯甲烷四縮水甘油胺) 到100 120°C，按100 30的比例將DDS(二氨基二苯砜)加入環(huán)氧樹脂體系，攪拌均勻， 并對AG-80/DDS樹脂體系進行脫泡處理，制得環(huán)氧樹脂膠液。8、樹脂注入對密封的進氣腔成型模具抽真空，使其真空度達-0. 095MPa,保壓 30min。調整LCM注射設備，使其溫度控制在100 120°C之間，壓力為0. 30 0. 35MPa，并 將LCM注射機的注射頭與成型模具的注入口相連接，準備就緒后，打開閥門將AG-80/DDS樹 脂體系注入進氣腔成型模具中，直至充滿模腔，并保持一段時間，直至纖維增強材料全部被 浸潤。9、加熱固化停止注射后，緩慢將模具溫度升高至175 180°C，固化10 12h。10、脫模打開進氣腔的金屬外模，取出帶有低熔點合金型芯的復合材料進氣腔制 件，檢測進氣腔制件有無質量問題。11、型芯熔化將檢測合格的帶低熔點合金型芯的復合材料進氣腔置于高溫烘箱 中，控制烘箱的溫度在200士2°C，直至低熔點合金全部熔化，得到樹脂基復合材料進氣腔。12、復合材料制件修整對制備的樹脂基復合材料進氣腔進行修整，去除進氣腔制 件的毛邊，檢測有無缺膠、氣孔等質量問題，檢驗合格即得到樹脂基復合材料發(fā)動機進氣腔 制件。實施例2樹脂基復合材料小型風力發(fā)電機葉片的液體模塑熔芯成型工藝1、葉片型芯三維建模利用三維建模軟件Solid works (也可以是UG、ProE) 建立風力發(fā)電機葉片的三維模型，并建立葉片型芯的三維模型，生成zuoxingxin. stl、 youxingxin. st 1文件。利用STL三維模型的分層切片軟件，設置其切片厚度，精確到 0.012mm，設置分辨率以及切片方向，對左型芯、右型芯的三維造型進行切片處理，形成左型 芯、右型芯的二維層片信息(橫截面的平面輪廓和內(nèi)部掃描路徑)，將切片后產(chǎn)生的位圖文 件保存，輸出至移動存儲介質。2、型芯的激光快速燒結成形將移動存儲介質中的左型芯、右型芯切片后產(chǎn)生的 位圖文件導入激光快速成形機，在快速成形機中，計算機根據(jù)這些信息，通過控制系統(tǒng)驅動 成形激光束按照所要求的路徑運動，分層掃描尼龍粉，形成各個截面的二維固體層片，一層 制作完畢，再進行下一層的掃描，層層迭加，直至各層片按順序迭加成三維零件。并在左型 芯、右型芯模型表面浸涂樹脂膠液，待樹脂膠液固化完全后，進行表面修整。3、低熔點合金型芯制備選擇熔點在100°C左右低熔點合金材料(如熔點為 102. 5°C的Bi、Sn、Cd三元合金，配比54 26 20)。同時選用高質量的精細型砂，利用 激光快速成形機制備的左型芯、右型芯模型翻制左型芯、右型芯砂型鑄造模具，同時將低熔 點合金材料在100°C下熔化，利用壓力鑄造設備在2bar的壓力下將熔化的低熔點合金澆注 入左型芯、右型芯的砂模，冷卻凝固后得到左型芯、右型芯的低熔點合金型芯，并對低熔點 合金型芯進行表面處理，使其達到一定的尺寸精度和光潔度。4、模具準備采用鋁合金、均質鋼材或玻璃鋼加工風力發(fā)電機葉片構件的外模，并 以制備的低熔點合金型芯作為內(nèi)模，對成型模具進行試裝配檢驗。5、增強材料的鋪設與定型在左型芯、右型芯的低熔點合金型芯表面包覆2mm的 玻璃纖維增強材料，噴撒少量環(huán)氧粘接劑將各層粘接定型，將其裝配入金屬外模中，在左型
7芯和右型芯的纖維外側按一定的鋪層順序鋪設玻璃纖維增強材料，同時噴撒少量環(huán)氧粘接 劑定型，在120°C下固化4小時。6、合模金屬外模在定位機構的引導下合模，檢查模具是否漏氣，如漏氣需更換橡 膠墊圈重新合模。7、樹脂膠液的配制將固化劑2511-B(胺類)按100 30的比例加入到上緯 2511-A環(huán)氧樹脂體系，攪拌均勻，并對上緯2511樹脂體系進行脫泡處理，制得環(huán)氧樹脂膠液。8、樹脂注入對密封的葉片成型模具抽真空，使其真空度達_0.095MPa，保壓 30min。調整LCM注射設備，使其溫度控制在30士2°C之間，并將LCM注射機的注射頭與成 型模具的注入口相連接，準備就緒后，打開閥門將上緯2511樹脂體系注入進氣腔成型模具 中，直至充滿模腔，并保持一段時間，直至纖維增強材料全部被浸潤。9、加熱固化停止注射后，緩慢將模具溫度升高至80°C，固化8 10h。10、脫模打開葉片的金屬或玻璃鋼外模，取出帶有低熔點合金型芯的復合材料葉 片制件，檢測葉片制件有無質量問題。11、型芯熔化將檢測合格的帶低熔點合金型芯的復合材料葉片置于高溫烘箱中， 控制烘箱的溫度在102 士 2°C，直至低熔點合金全部熔化，得到樹脂基復合材料葉片。12、復合材料制件修整對制備的樹脂基復合材料葉片進行修整，去除葉片制件的 毛邊，檢測有無缺膠、氣孔等質量問題，檢驗合格即得到樹脂基復合材料小型風力發(fā)電機葉 片制件。
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權利要求
一種樹脂基復合材料復雜構件的液體模塑熔芯成型工藝，其特征是包括以下步驟(1)、型芯三維建模根據(jù)型芯的圖紙，利用三維建模軟件建立型芯的三維模型，將三維模型存儲為*.stl格式，并利用切片軟件切片，生成型芯的分層位圖文件；(2)、型芯的激光快速燒結成形將型芯的分層位圖文件，導入激光快速成形機，用激光分層掃描熱塑性粉體材料，使粉體材料熔化而互相粘結，快速燒結制備得型芯模型；(3)、低熔點合金型芯制備根據(jù)型芯模型使用型砂翻制砂模，同時將低熔點合金熔化，利用壓力鑄造設備將熔化的低熔點合金澆注入砂模，冷卻凝固后制得低熔點合金型芯；(4)、模具準備以低熔點合金型芯為內(nèi)模，采用金屬或玻璃鋼材料制作外模；(5)、增強材料的鋪設與定型在內(nèi)模表面包覆纖維增強材料層，同時噴撒粘接劑定型，然后將其裝配入外模中，并在內(nèi)模和外模之間的間隙鋪設纖維增強材料層，同時噴撒粘結劑定型，進行定型處理；(6)、合模將外模在定位機構的導引下合模；(7)、樹脂基膠液的配制配制適合液體模塑成型工藝的樹脂膠液；(8)、樹脂膠液的注入將樹脂基膠液注射入經(jīng)合模的模具中，浸潤纖維增強材料；(9)、加熱固化停止注射后，加熱固化；(10)、脫模打開外模，取出帶低熔點合金內(nèi)模的制件；(11)、型芯熔化將帶低熔點合金內(nèi)模的制件置于高溫烘箱中，加熱使得低熔點合金全部熔化，得到樹脂基復合材料構件；(12)、復合材料構件修整對得到的復合材料構件進行修整，檢測，即得到復合材料復雜構件。
2.根據(jù)權利要求1所述的樹脂基復合材料復雜構件的液體模塑熔芯成型工藝，其特征 是步驟(1)所述的三維建模軟件為UG、ProE或Solid works。
3.根據(jù)權利要求1或2所述的樹脂基復合材料復雜構件的液體模塑熔芯成型工藝，其 特征是步驟(2)所述的熱塑性粉體材料為熔點在60°C至320°C的熱塑性粉體材料，包括聚 苯乙烯粉、尼龍粉或石蠟粉。
4.根據(jù)權利要求1或2所述的樹脂基復合材料復雜構件的液體模塑熔芯成型工藝，其 特征是步驟(2)所述制得的型芯模型，先在表面浸涂樹脂膠液，待樹脂膠液固化后，進行表 面修整。
5.根據(jù)權利要求1或2所述的樹脂基復合材料復雜構件的液體模塑熔芯成型工藝，其 特征是步驟(2)所述的熱塑性粉體材料的熔點高于步驟(7)所配制的樹脂膠液的固化溫度 時，可以省略步驟(3)，直接以步驟(2)制備得型芯模型作為內(nèi)模，代替低熔點合金所制得 的內(nèi)模，按照其他步驟順次進行。
6.根據(jù)權利要求1或2所述的樹脂基復合材料復雜構件的液體模塑熔芯成型工藝，其 特征是步驟⑶所述的低熔點合金的熔點低于300°C，并且高于步驟(7)所配制的樹脂膠液 的固化溫度。
7.根據(jù)權利要求6所述的樹脂基復合材料復雜構件的液體模塑熔芯成型工藝，其特征 是低熔點合金的熔點高于步驟(7)所配制的樹脂基膠液固化溫度1 30°C。
8.根據(jù)權利要求1或2所述的樹脂基復合材料復雜構件的液體模塑熔芯成型工藝，其 特征是步驟(5)所述的粘結劑為與樹脂基體具有良好相容性的粘接劑。
9.根據(jù)權利要求1或2所述的樹脂基復合材料復雜構件的液體模塑熔芯成型工藝，其 特征是步驟(11)所述的加熱溫度為低熔點合金的熔點溫度以上1 15°c。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種樹脂基復合材料復雜構件的液體模塑熔芯成型工藝，解決了現(xiàn)有的復合材料復雜構件的制備工藝生產(chǎn)效率低，經(jīng)濟效益差，以及現(xiàn)有的液體模塑成型技術在制備復合材料復雜結構件方面存在的穩(wěn)定性差，工藝復雜和脫模難的問題。本發(fā)明是通過以下技術方案實現(xiàn)的型芯三維建模；型芯的激光燒結成形；低熔點合金型芯制備；模具準備；增強材料的鋪設與定型；合模；樹脂膠液的配制；樹脂注入；加熱固化；脫模；型芯熔化；復合材料制件修整。本發(fā)明生產(chǎn)效率高，脫模和使用方便，成本低。
文檔編號B29C70/36GK101913251SQ20101024173
公開日2010年12月15日 申請日期2010年7月27日 優(yōu)先權日2010年7月27日
發(fā)明者劉亞青, 張彥飛, 杜瑞奎, 趙貴哲 申請人:中北大學